壓力容器對接焊接接頭衍射時差法超聲檢測工藝要點

姚志華

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院)

0 前言

現場定期檢驗某合成氨企業中工業變換工序的主要容器——中溫變換爐。該變換爐材質為15CrMoR， 規格為 ?3200 mm×17800 mm×44 mm，采用埋弧自動焊焊接，X型坡口，焊縫寬度30 mm。由于檢驗現場安全防護條件的限制，不允許采用射線檢測。傳統的脈沖反射式超聲檢測技術是根據反射信號來檢出缺陷的，依據缺陷信號幅度和探頭移動范圍可確定缺陷尺寸及性質，其缺陷的檢出和定量受到超聲波聲束角度、探測方向、缺陷表面粗糙度、試件表面狀態及探頭壓力等諸多因素影響。這些影響往往是很難克服的，但是應用衍射時差法 （TOFD）技術這些問題就可以得到很好的解決。采用衍射時差法超聲檢測，缺陷的衍射信號與超聲聲束角度無關，檢測的可靠性和精度不受缺陷與入射波之間角度的影響，根據衍射信號的傳播時間差來確定衍射點位置，缺陷定位定量不再依靠信號的波幅。

作為無損檢測新技術，TOFD超聲檢測技術有以下優點：

（1）TOFD技術的可靠性好。由于衍射信號波幅基本上不受超聲聲束角度影響，任何方向的缺陷都能有效地發現。TOFD技術缺陷檢出率遠高于常規手工超聲檢測技術，且大多數情況下也高于射線照相檢測技術。

（2）TOFD技術的定位精度高。一般認為，對線型缺陷或者面積型缺陷，TOFD測高誤差小于1 mm。

（3）TOFD檢測簡便快捷。最常用的非平行掃查無需做鋸齒形掃查，檢測效率高。

（4）TOFD檢測系統可采集和記錄大量信息，TOFD圖像更有利于缺陷的識別和分析。

因此經協商，決定采用衍射時差法超聲檢測非平行掃查方式進行該變換爐對接接頭的無損檢測，且按JB/T 4730.10—2010標準進行100%檢測，Ⅱ級合格。

1 檢測工藝的制訂

根據焊接工藝、容器結構和施工程序，制訂TOFD檢測工藝。

2 檢測人員、儀器和試塊

TOFD檢測至少由2人參加，且應具有特種設備TOFDⅡ級資格，并了解基本的焊接結構和壓力容器使用概況。本次檢測采用的儀器是武漢中科公司生產的HS-810型TOFD檢測儀和配套掃查架。由于工件的厚度小于50 mm，因此直接在壓力容器本體母材良好的部位進行檢測靈敏度的調試。

3 檢測工藝卡的制訂

根據現場具體情況，編制檢測工藝卡。

3.1 掃查面及掃查寬度的確定

筒體和上下封頭母材焊縫兩側厚度相等，因此TOFD掃查面可以在容器內表面，也可以在容器外表面。

為保證掃查架移動順利，焊縫兩側掃查面寬度均不小于150 mm，其表面粗糙度Ra應不大于6.3 μm。

3.2 確定檢測區域

該變換爐材質為15CrMoR，X型坡口，采用自動埋弧焊焊接。根據焊接工藝評定，熱影響區寬度為≤8 mm，因此，檢測區域確定為焊縫、熔合線及熔合線外10 mm的范圍。

3.3 檢測通道和PCS的設置

本檢測采用單通道掃查，通道PCS的設置執行2/3T原則。

3.4 探頭的選擇

工件厚度44 mm，選擇5M?6、角度為60°的探頭。

3.5 時間窗口的設置

為了觀察、評判的方便和保證整個通道的覆蓋，時間窗口的起始位置為直通波到達前0.5～1 μs，時間窗口的終止位置為工件底面波后 0.5 μs。

3.6 掃查方式

TOFD掃查方法采用非平行掃查。

對于丁字縫部位，TOFD掃查架通過的焊縫區域應進行打磨平滑，以確保掃查架通過焊縫時聲波耦合良好。

3.7 耦合劑

耦合劑采用水或機油。

3.8 補充檢測

為了防止上下表面盲區和橫向缺陷漏檢，在TOFD檢測合格后增加手工超聲檢測。手工超聲檢測主要是對上下表面盲區以及橫向缺陷進行檢測。此外，焊縫內外表面增加磁粉檢測。

根據工件條件、焊縫寬度和上述選擇要求，編制的TOFD檢測工藝卡如表1所示。

4 檢測工藝驗證及實施

按本工藝將設置好的TOFD設備在相同厚度的模擬試塊上進行檢測驗證，模擬試塊中的缺陷均能清晰顯示。本工藝在盲區試塊上進行檢測驗證，上表面盲區≤6 mm。

5 小結

（1）儀器調試中深度校準較位移校準更為重要，當直通波或底波不平直時，不宜采用測直通波和底面波反射信號來反推探頭延時和波速。

（2）本設備的檢測采用單通道較高頻率，并在滿足焊縫寬度的情況下選擇盡可能小的PCS，以利于減小上表面盲區。

（3）上表面盲區的深度與直通波脈沖時間寬度、探頭頻率、帶寬和探頭中心間距有關，一般情況下要占檢測厚度的10%～25%。本工藝在盲區試塊上進行了檢測驗證，上表面盲區≤6 mm。

表1 壓力容器TOFD檢測工藝卡 工藝卡編號：××××-××

續表

（4）采用手工超聲波檢測和磁粉檢測作為TOFD檢測的補充檢測，減少了上下表面檢測盲區和橫向缺陷漏檢的可能。

（5）TOFD技術對缺陷定性比較困難，可在區分上表面開口、下表面開口及埋藏缺陷的基礎上結合材料的焊接性、焊接結構形式、焊接方式等進行缺陷性質判定，必要時采用射線照相檢測法進一步確認缺陷性質。

（6）如有必要，可改變通道PCS的2/3T聚焦法則，將焦點選在缺陷所在部位以獲得更高的信噪比。

（7）近年來衍射時差法超聲檢測已經成為國內應用較為成熟的超聲檢測新方法。大量的檢測實例表明，TOFD技術具有缺陷檢出率高、實時成像記錄、環保等優點，對于壓力容器無損檢測是一種有效的補充。

鑒于國內對TOFD技術的強烈要求，如對于厚壁容器、無法進入容器內部時其封頭與筒體的最后一條對接焊縫、現場組焊檢測等情況，建議在 《固定式壓力容器安全技術監察規程》 （TSG R0004—2009）修訂時將衍射時差法超聲檢測及時納入，以期促進和規范衍射時差法超聲檢測技術的推廣應用，提高壓力容器無損檢測技術水平。

[1] 劉書宏，盧超.超聲TOFD檢測技術在T型焊縫中的應用 [A].見：中國機械工程學會無損檢測分會.第十屆無損檢測學會年會論文集 ［C］.2013.

[2] 強天鵬.衍射時差法 （TOFD）超聲檢測技術 ［M］.2012.

[3] JB/T 4730.3—2005承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測 ［S］.國家發展和改革委員會能源局，2005.

[4] NB/T 47013.10—2010 （JB/T 4730.10） 承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測 ［S］.國家能源局，2010.